Tasapaino

KE6: 2/4

1. Reaktion \(\mathrm{2\ H_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2\ H_2O(l)}\) entalpiamuutos on \(\Delta H=-285{,}8\ \mathrm{kJ/mol}\).

A) Reaktiossa happo hapettuu ja vety pelkistyy.

B) Reaktio on eksoterminen.

C) Jos molempia lähtöaineita on yksi mooli, vettä voi enimmillään muodostua 2 moolia.

 

2. Kun etikkahappoa lisätään veteen, tapahtuu seuraava reaktio: \(\mathrm{CH_3COOH(l)+H_2O(l)\leftrightharpoons CH_3COO^-(aq)+H_3O^+(aq)}\).

A) Liuokseen muodostuu oksoniumioneja.

B) Kyseessä on protoninsiirtoreaktio.

C) Vesiliuoksen pH-arvo nousee.

3. Oheisen reaktioyhtälön perusteella

A) kyseessä on esteröitymisreaktio.

B) reaktiossa muodostuu vain yksi reaktiotuote.

C) symboli \(\leftrightharpoons\) tarkoittaa, että kyseessä on tasapainoreaktio.

Alkulämmittelyä

Arvioitavat työt:

  • 🧪Ryhmätehtävä 2: Tasapainovakion määrittäminen
  • Palautettava tehtävä 2: Tasapainolasku
  • Palautettava tehtävä 3: Le Chatelierin periaate

Tasapaino-reaktiot

Keskeiset asiat:

  • tasapainoreaktio

  • tasapainotila

  • tasapainovakio

  • tasapainoasema

  • homogeeninen tasapaino

  • heterogeeninen tasapaino

Sidos 6: Luku 3

Tasapainoreaktio

A+B\leftrightharpoons C+D

etenevä reaktio

palautuva reaktio

Jos reaktio ei voi palautua, ei se voi olla tasapaino-reaktio.

  • reaktio tapahtuu samaan aikaan vasemmalta oikealle ja oikealta vasemmalle

Tasapainotila

Kemiallisen tasapainotilan ominaisuuksia

  • muodostuu vain suljetussa systeemissä
  • reaktiot eivät pysähdy, vaan molemmat tapahtuvat koko ajan
  • etenevä ja palautuva reaktio tapahtuvat yhtä suurella nopeudella
  • lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatiot eivät muutu

tasapainotila saavutettu

tasapainotila \(\rightarrow\)

palautuva reaktio

etenevä reaktio

\(v_1=v_2\)

Tasapainovakio

aA+bB\leftrightharpoons cC+dD
v_e
v_p
v_e=v_p
K=\frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b}
[A], [B], [C], [D]

aineiden A, B, C ja D tasapainokonsentraatiot

Tasapainovakio K

  • lämpötilasta riippuva reaktiokohtainen vakio
  • kuvaa tuotteiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhdetta tasapainotilassa
  • lasketaan aina tasapainokonsentraatioilla

tasapainovakion lauseke

Pätee laimeille liuoksille!

ei yksikköä!

Esimerkki

Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin välisen reaktion tasapainovakio on

  • 400 K:n lämpötilassa 47,9
  • 500 K:n lämpötilassa 1700.

Mitä voidaan päätellä tuotteen määrästä seoksessa, kun lämpötilaa nostetaan?

Kumpaan suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, kun lämpötilaa lasketaan?

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}2\ NO_2(g)
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

K:n arvo suurempi korkeammassa lämpötilassa

\(\rightarrow \) osoittaja suurempi

\(\rightarrow \) tuotteiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan

K:n arvo pienempi matalammassa lämpötilassa

\(\rightarrow \) lähtöaineiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa lasketaan

\(\rightarrow \) tasapainotila siirtyy lähtöaineisiin päin

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}\ 2\ NO_2(g)
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}
  • Tasapainovakion lauseke kirjoitetaan aina etenevälle reaktiolle!

Tasapainovakio

\mathrm{2\ NO_2(g)\leftrightharpoons N_2O_4(g)}
K'=\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K\cdot K'=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}\cdot\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K\cdot K'=1
\|:K
K'=\frac{1}{K}

Palautuvan reaktion tasapainovakion arvo on etenevän reaktion tasapainovakion käänteisluku!

A\leftrightharpoons B

A

A

A

B

B

B

tasapaino lähtöaineiden puolella

tasapaino tuotteiden puolella

tasapainoasema

Esimerkki

a) Kirjoita tasapainovakion lauseke reaktiolle.

b) Laske tasapainovakion arvo.

c) Onko reaktion tasapainotila lähtöaineiden vai tuotteiden puolella?

d) Laske palautuvan reaktion tasapainovakion arvo.

K=\mathrm{\frac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}}

Tasapaino-konsentraatiot:

a)

K=\mathrm{\frac{0{,}397^2}{2{,}34^2\cdot2{,}01}}

b)

=0{,}01432...
\approx0,0143

c) K<1, joten tasapaino on lähtöaineiden puolella

d)

K'=K^{-1}
=69{,}830...
\approx69{,}8

Homogeeninen ja heterogeeninen tasapainotila

Jos kaikki aineet ovat samassa faasissa, on kyseessä homogeeninen tasapainotila.

Jos kaikki aineet eivät ole samassa faasissa, on kyseessä heterogeeninen tasapainotila.

\mathrm{NaCl(s)\leftrightharpoons Na^+(aq)+Cl^-(aq)}

vesi on liuotin!

\mathrm{3\ H_2(g)+N_2(g)\leftrightharpoons2\ NH_3(g)}
\mathrm{H_2CO_3(aq)\leftrightharpoons H_2O(l)+CO_2(aq)}
\mathrm{CO_2(g)\leftrightharpoons CO_2(aq)}

kylläinen liuos

Osaatko?

  • Miten kirjoitetaan tasapainovakion lauseke reaktioyhtälön perusteella?
  • Miten lasketaan tasapainovakion arvo, kun tasapainokonsentraatiot tunnetaan?
  • Miten tasapainotila näkyy reaktionopeuskuvaajista?
  • Milloin reaktion tasapaino on lähtöaineiden puolella? Entä tuotteiden?
  • Mitä eroa on homogeenisella ja heterogeenisella tasapainolla?

Tasapaino-vakio

Keskeiset asiat:

  • tasapaino-konsentraatioiden laskeminen

  • tasapainovakion laskeminen

Sidos 6: Luku 4

Esimerkki 1

Määritä tasapainovakion arvo oheisen taulukon avulla.

0,4 0,4 0
0,6

\(\mathrm{H_2(g)}\ +\)

\(\mathrm{I_2(g)}\)

\(\leftrightharpoons\)

\(\mathrm{2\ HI(g)}\ \)

c_\mathrm{a}
c_{\mathrm{tp}}
\Delta

Lähtöaineiden määrä vähenee.

Tuotteiden määrä lisääntyy.

+\ 2\cdot0{,}3
-0{,}3
-0{,}3
0{,}1
0{,}1
K=
\mathrm{\frac{[HI]^2}{[H_2]\cdot[I_2]}}
=\frac{0{,}6^2}{0{,}1\cdot0{,}1}
=36

Tasapainovakion ratkaiseminen

  1. Sijoitetaan tunnetut konsentraatiot taulukkoon.
  2. Lasketaan konsentraation muutos sille aineelle, josta tunnetaan alku- ja tasapainokonsentraatio.
  3. Päätellään muiden aineiden konsentraatioiden muutokset tasapainotetusta reaktioyhtälöstä.
  4. Lasketaan muiden aineiden tasapainokonsentraatiot.
  5. Muodostetaan tasapainovakion lauseke.
  6. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo.

Esimerkki 2

Määritä taulukon avulla reaktioseoksen koostumus tasapainotilassa, kun reaktion tasapainovakion arvo on 172.

0,65 0,45 0

\(3\ \mathrm{H_2(g)}\ +\)

\(\mathrm{N_2(g)}\)

\(\leftrightharpoons\)

\(\mathrm{2\ NH_3(g)}\ \)

c_\mathrm{a}
c_{\mathrm{tp}}
\Delta
K=
\mathrm{\frac{[NH_3]^2}{[H_2]^3\cdot[N_2]}}
=\frac{(2x)^2}{(0{,}65-3x)(0{,}45-x)}
=172
-x
-3x
+2x
0{,}65-3x
0{,}45-x
2x

Hylätään x=0,45..., koska tällöin typpikaasun konsentraatio olisi tasapainossa negatiivinen.

Lasketaan tasapainokonsentraatiot.

Vastaus: Tasapainotilassa vedyn konsentraatio on 0,0045 mol/l, typen konsentraatio 0,23 mol/l ja ammoniakin konsentraatio 0,43 mol/l.

Tasapainokonsentraation ratkaiseminen

  1. Kerätään tunnetut alkukonsentraatiot tasapainotaulukkoon.
  2. Kirjoitetaan muutoskonsentraatiot tasapainovakion taulukon toiselle riville.
  3. Kirjoitetaan alimmalle riville tasapainokonsentraatiot alku- ja muutoskonsentraatioiden avulla.
  4. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen.
  5. Ratkaistaan muutoskonsentraatio tasapainovakion avulla.

Osaatko?

  • Miten